Se a luz tiver apenas 13,8 mil milhões de anos para viajar, um universo que se estende por 93 mil milhões de anos-luz parece impossível. A aparente contradição vem de considerar o universo como uma casa estática com um cronômetro funcionando dentro. Não está consertado. A distância entre regiões ilimitadas e amplamente separadas variou ao longo da viagem.
No Modelo Cosmológico Padrão, o raio atual do universo observável é de cerca de 46 bilhões de anos-luz, dando um diâmetro de cerca de 92 ou 93 bilhões de anos-luz. A astrofísica da NASA Amber Straughan deu a estimativa pública Cerca de 92 bilhões de anos-luz de diâmetro. Os comumente citados 93 bilhões são o mesmo resultado com um arredondamento ligeiramente diferente e certos parâmetros cosmológicos.
Este número não significa que qualquer fotão tenha viajado 46 mil milhões de anos-luz no espaço estacionário para chegar à Terra. Isto significa que as regiões de onde vieram os primeiros sinais observáveis estão agora a cerca de 46 mil milhões de anos-luz de distância, o tempo que os sinais levam a viajar após a expansão do espaço entre essas regiões e nós.
Idade e distância respondem a perguntas diferentes
Um ano-luz é uma unidade de distância: a distância que a luz percorre no espaço em um ano. Num cenário sem expansão, 13,8 mil milhões de anos multiplicados pela velocidade da luz dariam uma distância máxima de 13,8 mil milhões de anos-luz. Esta visão funciona dentro do sistema solar e em todo o universo próximo, onde a expansão cósmica é insignificante para os cálculos em questão.
Ao longo da história do universo, entretanto, a distância não é uma quantidade invariável. Os cosmólogos usam medidas diferentes porque uma observação pode fazer perguntas diferentes. Quanto tempo a luz viaja? A que distância estava a fonte quando a luz foi emitida? A que distância estará a área de origem agora? Quão brilhante ou grande deve ser o objeto? As notas técnicas amplamente utilizadas de David Hogg, Medição de distância em cosmologiaDefine várias definições e suas equações de conexão.
O número de 13,8 bilhões de anos é uma idade e, aproximadamente, o maior tempo de retrospectiva eletromagnética disponível para nós. A imagem de 46 mil milhões de anos-luz é a distância actual ao horizonte das partículas, calculada num modelo de como o factor de escala cósmica mudou ao longo do tempo. Dobrar esse raio dá o diâmetro citado.
A idade em si não pode ser obtida com um simples relógio. É estimado ajustando um modelo cosmológico às observações. A análise final do Planck mostrou que um modelo de matéria escura fria lambda de seis parâmetros, espacialmente plano, se ajustava perfeitamente à radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Seus parâmetros relatados incluem uma constante de Hubble de 67,4 mais ou menos 0,5 quilômetros por segundo por megaparsec e um parâmetro de densidade de matéria de 0,315 mais ou menos 0,007. Esses valores aparecem em cooperação Artigo sobre parâmetros cosmológicos de 2018 e implica uma idade próxima de 13,8 bilhões de anos.
A luz mais antiga nunca saiu da sua distância atual
A luz mais antiga que podemos ver é a radiação cósmica de fundo em micro-ondas, ou CMB. Durante aproximadamente os primeiros 380 mil anos, a matéria comum existiu como um plasma ionizado que emitia fótons repetidamente. À medida que o universo se expandia e esfriava, os elétrons juntaram-se aos núcleos atômicos, o plasma tornou-se transparente e a luz pôde viajar livremente. Visão geral atual da NASA deste espaço de transição Cerca de 380.000 anos após o Big Bang.
Esses fótons começaram sua jornada ininterrupta quando as regiões que os emitiram estavam muito mais próximas da matéria que eventualmente formaria a Via Láctea do que suas regiões correspondentes. Embora cada fóton sempre se mova localmente à velocidade da luz, a escala do espaço através do qual ele viaja varia. O seu comprimento de onda também se expandiu com essa expansão, o que começou como radiação térmica quente tornou-se o brilho de microondas medido pelo COBE, WMAP e Planck.
A NASA descreve a CMB como a luz que atravessou o universo praticamente sem impedimentos desde que foi emitida. O WMAP mediu o padrão de temperatura de todo o céu com notável precisão, usando esse padrão para restringir a idade, a composição e a geometria do Universo. da organização Visão geral da missão WMAP A emissão data de cerca de 375 mil anos após a inflação, uma pequena diferença em termos de ruído e modelagem em relação ao número arredondado de 380 mil anos.
Um modelo mental útil é uma pessoa caminhando em direção a uma porta em uma esteira rolante que vai da porta ao chão. A pessoa ainda está se movendo com velocidade local inalterada. Primeiro, um piso para caminhada pode aumentar a distância mais rapidamente do que um andador. Se a passarela mudar de velocidade posteriormente, a rede do andador poderá começar a progredir e chegar ao fim. A analogia é incompleta porque a expansão do espaço é descrita pela relatividade geral, não movendo máquinas através de grandes espaços, mas capta por que o tempo de viagem e a separação da corrente não coincidem.
Localmente não há nada fora da luz
O número também levanta uma segunda preocupação. Se a distância aumentasse alguns bilhões de anos-luz, para 13,8 bilhões de anos, estaria algo se movendo mais rápido que a luz?
A relatividade especial impede que objetos ou dados viajem mais rápido que a luz até um observador próximo. Não impõe o mesmo limite geral à taxa à qual a distância relativística geral entre regiões suficientemente distantes e ilimitadas pode aumentar. A desaceleração causada pela expansão cósmica não é o motor que dispara galáxias através do espaço. Esta é uma variação da métrica usada para descrever a separação.
Tamara Davis e Charles Lineweaver abordam essa confusão diretamente em sua análise revisada por pares dos horizontes cósmicos. seu papel, A confusão é generalizadamostraram que a cosmologia padrão nos permite observar galáxias cujas velocidades de desaceleração excedem a velocidade da luz. Não fornece uma maneira de enviar sinais locais mais rápido que a luz e não entra em conflito com a relatividade especial.
A luz de fontes distantes viaja em nossa direção localmente ao longo de sua jornada. No entanto, no início da viagem, a quantidade de espaço de intervenção ainda pode aumentar. À medida que o fóton muda de estado, ele pode cruzar o horizonte relevante e começar a ler a distância exata restante. O enredo dessa jornada é curvo, e não a simples linha distância-igual-velocidade-tempo-tempo familiar aos problemas estáticos de sala de aula.
O horizonte não é um muro
“Universo observável” não significa o universo inteiro. Ele nomeia as regiões das quais os sinais tiveram tempo de chegar até nós durante a história de expansão do universo. Seu limite, o horizonte de partículas, é um limite observacional centrado no observador, e não uma concha física colocada ao redor da Terra.
Um observador numa galáxia distante teria um universo observável centrado naquele local. Duas regiões observáveis podem sobrepor-se, mas nenhum observador ocupará um centro preferencial de todo o universo. A homogeneidade em grande escala usada na cosmologia padrão torna este horizonte centrado no observador consistente com um universo sem ponto central.
O universo subjacente pode estender-se além do nosso horizonte de partículas e ser espacialmente infinito. As observações atuais não nos dizem o seu tamanho total. O diâmetro de 93 mil milhões de anos-luz não é, portanto, a medida da borda exterior. Este é um tamanho atual dependente do modelo para a região visível para nós.
Nem deve o horizonte de partículas ser confundido com a esfera de Hubble ou com o horizonte de eventos cósmicos. A esfera de Hubble é a distância na qual a taxa de desaceleração atual é igual à velocidade da luz. O horizonte de eventos diz respeito aos sinais emitidos agora que podem chegar até nós no futuro. A análise de Davis e Lineweaver enfatiza que estes horizontes respondem a questões diferentes e não ocupam necessariamente a mesma distância.
Por que os números exatos carregam suposições
Para calcular o horizonte atual, os cosmólogos integram a distância que um sinal de luz pode cobrir, tendo em conta a mudança do fator de escala. O resultado depende de parâmetros que incluem a taxa de difusão e a proporção de matéria, radiação e energia escura. Mude a cosmologia assumida e mude a resposta.
O desacordo contínuo sobre a constante de Hubble é relevante aqui, embora não apague a interpretação fundamental. As medições baseadas no universo primitivo e as medições baseadas na escala de distância local não fornecem atualmente taxas de expansão uniformes. Uma visão geral da NASA observa o problema Sistemas CMB e telescópios espaciais estão em tensão. Esta é uma das razões para apresentar 92 ou 93 mil milhões de anos-luz como uma estimativa redonda, e não como uma fronteira exacta pesquisada com uma régua.
Observações recentes e aprofundadas tornam a diferença concreta. Uma galáxia cuja luz viajou 13,5 mil milhões de anos está hoje a apenas 13,5 mil milhões de anos-luz de distância. O relatório da NASA sobre a confirmação de MoM-z14 por Webb afirma que sua luz viajou pelo espaço em expansão por cerca de 13,5 bilhões de anos e se expandiu para um desvio para o vermelho de 14,44. A empresa menciona claramente que A distância física e “anos atrás” tornam-se complicados com esses critérios.
O aparente paradoxo do título é, portanto, uma lição sobre questões escondidas à distância. A luz não ultrapassou o seu limite de velocidade e o Universo não precisa de ser mais velho do que a sua idade medida. Fótons antigos atravessam uma geometria variável. A viagem durou cerca de 13,8 mil milhões de anos, enquanto a distância atual entre os pontos finais aumentou para cerca de 46 mil milhões de anos-luz. Olhando em todas as direções, obtém-se um diâmetro observável de cerca de 93 mil milhões de anos-luz, embora nenhum raio de luz tenha alguma vez atravessado esse diâmetro atual de um lado para o outro.
